ロード セルの基礎

センシング技術だけでなく、ロード セルの物理的なサイズや形状もその性能に大きな影響を与えます。小型ロード セルは、スペースに制約のある用途には理想的ですが、取り付け誤差や軸外荷重、熱の影響を受けやすくなります。これとは対照的に、大型のロード セルは安定性が高く、環境の影響に強いですが、動的応答や設置の複雑さが課題となる場合があります。サイズに関係なく、表面の平坦度、荷重のアライメント、荷重経路などの形状や取り付け構成は、ひずみの測定方法に決定的な影響を与えます。このため、信頼性の高い性能を実現するには、適切な設置と設計の統合が不可欠です。

ロードセルの校正は工場または現場で実施可能、各方法に異なる用途あり。

• 工場校正：トレーサブルな標準器と精密機器を使用し、管理された条件下で実施。これにより、精度の信頼できる基準線が提供され、多くの場合、校正データがデジタル システムに組み込まれます。しかし、取り付け時のストレスや環境変動など、設置場所特有の影響は考慮されていません。

• 現場校正：設置後に現場で実施され、実環境に合わせて調整されます。これには、既知の分銅、シャント校正、またはソフトウェアベースのチューニングを含む場合があり、特に過負荷の発生後や環境の変化後、長期間にわたって精度を維持するために不可欠です。

工場校正が高精度とトレーサビリティを提供する一方、現場校正は設置現場で信頼できる性能を提供します。多くの用途では、初期設定には工場校正を使用し、継続的な検証と調整には現場校正を使用するという、ハイブリッドなアプローチが有効です。その選択は、環境要因に対する用途の感度、規制要件、動的な再校正の必要性によって決まります。

ロード セル出力の漸進的な偏差は、測定精度と校正の安定性の両方を損なう可能性があります。熱サイクル、材料疲労、または電子的な経年劣化に起因する可能性があります。これらはそれぞれ、ゼロ バランス、感度、直線性に微妙な、しかし累積的な変化をもたらします。例えば、繰り返される熱変動はひずみゲージの耐性を変化させる可能性があり、長期にわたる機械的ストレスはセンシング エレメントのクリープや微細構造の変化を引き起こす可能性があります。アンプや ADC などの電子部品も劣化し、信号の忠実度に影響を与える可能性があります。このような影響はゆっくりと現れることが多く、定期的な再校正なしには検出が困難です。このグラフは、再校正を行わない場合、ドリフト メカニズム（熱的、機械的、電子的）が時間とともにどのように蓄積されるかを示しています。

機械疲労と環境ストレスは、ロード セルの寿命と信頼性に直接影響する重要な要因です。繰り返される負荷サイクル、特にセルの定格容量に近づく負荷サイクルは、センシング エレメントに微細構造の変化を引き起こす可能性があります。その結果、徐々に感度が低下したり、永久的な変形が生じたりする可能性があります。この疲労の影響は、振動や衝撃が大きかったり、負荷プロファイルが一定でない環境では、より強くなります。同時に、温度変動、湿度、腐食性物質への暴露などの環境要因は、ひずみゲージ接着剤を劣化させ、電気抵抗を変化させ、電子部品の経年劣化を早める可能性があります。時間が経つにつれて、これらの複合的な影響により、ドリフト、信号の不安定性、故障の可能性が高まります。このため、長期的な計測の完全性を維持するためには、事前の校正と保護設計要素が不可欠となります。これらのストレス要因は、使用するロード セル技術によって影響が異なります。

ロード セルにはいくつかの故障モードがあり、時間の経過とともに測定精度とシステムの信頼性が損なわれる可能性があります。

• ワイヤの断線は、振動、屈曲、またはストレイン リリーフの不備によって引き起こされることが多く、特に頻繁に移動したり熱膨張したりする設備では、信号が断続的になったり、出力が完全に失われたりする可能性があります。
• シールの劣化は、油圧式ロード セルや環境にさらされるロード セルではよくあることで、シールの漏れによって湿気や汚染物質がセンサ ハウジングに侵入します。これは電気的不安定と腐食を加速させます。
• ダイアフラムの疲労は、一般的にひずみゲージやピエゾ抵抗設計で見られます。ダイアフラムの疲労は、繰り返されるサイクルによって検出エレメントが徐々に弱くなることによって生じます。疲労はドリフト、ヒステリシス、または破裂につながります。

このような故障モードを日常点検と信号監視によって早期に特定することは、安全で正確な荷重測定を維持するために不可欠です。材料や電気設計だけでなく、物理的な構成も長期信頼性に重要な役割を果たします。

フォーム ファクタは、特にスペースの制約、動的負荷、または過酷な条件に遭遇した場合に、ロード セルの寿命と信頼性を決定する上で重要な役割を果たします。コンパクトな設計は設置の柔軟性を提供しますが、機械的な堅牢性を犠牲にすることが多く、疲労や熱応力の影響を受けやすくなります。より大きなフォーム ファクタは、より厚いダイアフラム、より良いひずみ分布、より改善された熱放散を可能にします。また、ロード セルの向きや取り付け構成（圧縮対引張、フランジ対ネジ）は、ロード セルの振動、衝撃、シール劣化に対する耐性に影響します。

薄膜センサは、コンパクトで応答性が高い反面、機械的耐久性が高いバルクセンサ設計よりも、表面損傷や疲労に対して脆弱である可能性があります。同様に、埋め込み型センシング エレメントは、よりアクセスしやすい一方で汚染や摩耗が起こりやすい露出型設計と比較して、環境ストレス要因に対してより優れた保護を提供します。

機械的要求と環境暴露の両方に適合するフォーム ファクタを選択することは、長期的な性能を最大化し、故障リスクを最小化するために不可欠です。

安定した信頼性の高い測定を実現し、ロード セルの寿命を延ばすためには、適切な設置と継続的なメンテナンスが不可欠です。このセクションでは、取り付け、配線、校正、および一般的な問題のトラブル シューティングに関する主な注意事項を概説します。

取り付けに関する考慮事項

• 不均等な応力や軸外荷重を防ぐため、取り付け面が平らで剛性があり、汚れがないことを確認してください。
• ロード セル本体の歪みを避けるため、ボルトには正しいトルク仕様を使用してください。
• 測定誤差を最小にするために、荷重経路をセンサの軸に正確に合わせます。
• 動的な用途では、必要に応じて防振マウントや減衰マウントを組み込んでください。

配線と信号調整

• モーターや高圧線など、電気ノイズの発生源からケーブルを遠ざけてください。
• 電磁干渉（EMI）を低減するため、シールド付きツイストペア ケーブルを使用してください。
• 電線の疲労を防ぐため、ケーブルの入口には適切なストレイン リリーフを設けてください。
• 信号の完全性を確保するために、接地とシールドの方法を確認してください。

校正手順

• ベースライン精度とトレーサビリティのために工場校正を行います。
• 取り付けの影響や環境条件を考慮するため、設置後に現場校正を行ってください。
• 検証には、認定試験分銅またはシャント校正法を使用してください。
• 用途の要件に基づいて、定期的な再校正をスケジュールしてください（静的負荷の場合は 6 ～ 12 か月ごと、動的システムの場合はより頻繁になど）。

一般的な故障モードとトラブル シューティング

• 断線：多くの場合、振動やストレイン リリーフの不良が原因です。ケーブルは定期的に点検し、損傷した配線が確認された場合は交換してください。
• シールの劣化：水分の浸入は腐食や信号の不安定につながります。シールを点検し、損傷があれば交換してください。
• 横隔膜の疲労：繰り返される過負荷や繰り返し応力は、ドリフトや破損の原因となります。ヒステリシスやクリープの兆候がないか出力を監視してください。
• 信号ノイズまたはドリフト：EMI、温度変化、接続の緩みによる可能性があります。シールド、接地、コネクタの完全性を確認します。

ベスト プラクティス：定期点検を実施し、校正ログを維持し、すべてのメンテナンス活動を記録します。異常を早期に検出することで、コストのかかるダウンタイムを防ぎ、長期的な信頼性を確保することができます。